TD-SCDMA手機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)

美信今年一季度開發(fā)出商用的TD-SCDMA手機(jī)射頻套片，為TD-SCDMA的商用化進(jìn)程立下戰(zhàn)功。本文在該公司基于此套片的參考設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討了在TD-SCDMA手機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

TD-SCDMA與另外兩種第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)相比有四大技術(shù)特點(diǎn)：雙向智能天線技術(shù)、反向鏈路同步技術(shù)、反向聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)、動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)，其中雙向智能天線技術(shù)得益于它收發(fā)同頻。除四大技術(shù)特點(diǎn)外，TD-SCDMA還有終端費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)成本低的優(yōu)勢(shì)，終端費(fèi)用低得益于TDD工作模式；運(yùn)營(yíng)成本低得益于收發(fā)同頻，不需要成對(duì)頻點(diǎn)。

圖1：TD-SCDMA手機(jī)射頻
單元參考設(shè)計(jì)功能框圖

美信公司新推出的商用TD-SCDMA手機(jī)射頻套片共有兩顆：MAX2507和MAX2392。MAX2507是發(fā)射芯片，集成了自模擬I/Q至功放輸出的所有電路，主要功能模塊有：I/Q正交調(diào)制器、混頻器、可變?cè)鲆娣糯笃?、功率放大器、射頻本振VCO、射頻鎖相環(huán)、中頻本振電路、射頻功率檢波器。MAX2392 是零中頻接收芯片，集成了自低噪聲放大器至模擬I/Q輸出的所有電路，主要功能模塊有：低噪聲放大器、I/Q正交解調(diào)器、可變?cè)鲆娣糯笃?、信道選擇濾波器、DC-Offset自動(dòng)去除電路、I/Q幅度自動(dòng)校準(zhǔn)電路、VCO、鎖相環(huán)。為方便用戶設(shè)計(jì)，MAXIM還提供有完整的參考設(shè)計(jì)方案(圖1)，該參考設(shè)計(jì)的有效射頻PCB面積為6.6平方厘米，工作在3-3.6V，可直接由單節(jié)鋰電池供電。

3GPP針對(duì)TD-SCDMA終端規(guī)定了很多技術(shù)指標(biāo)，這些指標(biāo)根據(jù)其制定的目的可以分作三大類：一是為滿足系統(tǒng)自身的需要而設(shè)定的指標(biāo)，如發(fā)射機(jī)輸出功率等級(jí)、功率控制精度、最小可控發(fā)射功率、發(fā)射信號(hào)調(diào)制精度EVM、接收機(jī)靈敏度、最大可接收信號(hào)幅度、頻率穩(wěn)準(zhǔn)度等；二是為反映系統(tǒng)魯棒性而設(shè)定的指標(biāo)，如接收機(jī)雜散響應(yīng)指標(biāo)、抗單音雙音干擾指標(biāo)、接收機(jī)鄰道選擇性指標(biāo)ACS等；三是為防止該系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)自身或其它系統(tǒng)造成干擾而設(shè)定的指標(biāo)，如收發(fā)信機(jī)雜散輻射指標(biāo)、發(fā)射機(jī)鄰道功率泄漏ACLR、發(fā)射信號(hào)頻域模板、發(fā)射機(jī)互調(diào)指標(biāo)等。對(duì)于這些指標(biāo)的詳細(xì)論述，請(qǐng)參考3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文以MAXIM參考設(shè)計(jì)為例，僅就一些具有挑戰(zhàn)性的指標(biāo)加以討論。

ACLR指標(biāo)

ACLR指標(biāo)是為防止發(fā)信機(jī)對(duì)鄰近頻點(diǎn)信道造成干擾而設(shè)定的指標(biāo)，它也是衡量發(fā)射機(jī)非線性失真程度的一個(gè)重要指標(biāo)。TD-SCDMA信號(hào)屬于非恒包絡(luò)調(diào)制，它的成型濾波器是根升余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.22，因此當(dāng)通道存在非線性幅度壓縮時(shí)，在TD-SCDMA信號(hào)頻譜兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生新的頻譜成份，ACLR指標(biāo)是指落入鄰近信道的信號(hào)與主信道信號(hào)功率之比。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相鄰信道ACLR指標(biāo)應(yīng)不大于-33dBc，隔一信道該指標(biāo)應(yīng)不大于-43dBc，但當(dāng)泄漏到鄰近信道的信號(hào)功率小于-55dBm時(shí)，可不考慮ACLR指標(biāo)。MAXIM參考設(shè)計(jì)在最大發(fā)射功率時(shí)，鄰信道與隔一信道ACLR指標(biāo)都有較大余量。

MAX2507還有一個(gè)特點(diǎn)就是它在小信號(hào)發(fā)射時(shí)，ACLR指標(biāo)并不是變得非常好，看來(lái)是一個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際上這恰恰是MAXIM工程師在設(shè)計(jì)MAX2507時(shí)的獨(dú)具匠心之處。MAX2507保證ACLR指標(biāo)在所有發(fā)射功率電平下均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且有一定余量的同時(shí)，根據(jù)發(fā)射功率大小自適應(yīng)地調(diào)整功放偏置電流，這使得該芯片在實(shí)際應(yīng)用中非常省電。

發(fā)射信號(hào)頻譜模板

發(fā)射信號(hào)頻譜模板與ACLR同是為防止發(fā)信機(jī)對(duì)鄰近頻點(diǎn)信道造成干擾而設(shè)定的指標(biāo)，同是由通道的非線性幅度壓縮而引起的，較ACLR指標(biāo)相比，該指標(biāo)更嚴(yán)格一些。ACLR指標(biāo)只是粗略地規(guī)定了再生頻譜分量與主信道頻譜分量功率之比，而頻譜模板則詳細(xì)規(guī)定了再生頻譜分量在偏離載波0.8MHz至4MHz范圍內(nèi)的相對(duì)大小。如果你測(cè)試過一些線性功放，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)有時(shí)ACLR指標(biāo)很好，但卻不能滿足頻譜模板的要求，原因是再生的頻譜分量上下兩個(gè)邊帶不對(duì)稱，且邊帶的形狀并不是想象中的3階、5階頻譜的疊加形狀，其形狀之所以較理想非線性產(chǎn)物頻譜有較大差異，是因?yàn)樗头蔷€性器件輸入輸出匹配有關(guān)。雖然MAX2507已設(shè)計(jì)成50歐姆輸入輸出阻抗以方便客戶使用，但實(shí)際應(yīng)用中MAX2507功放前后的電路并不總是很理想，這樣就造成了再生頻譜分量的不對(duì)稱和某些頻點(diǎn)處有凸包出現(xiàn)，以至于不能滿足頻譜模板的要求。為對(duì)付該問題，MAXIM在MAX2507內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的電路，通過更改寄存器數(shù)值來(lái)補(bǔ)償外部電路的非理想性，從而可以輕松解決該問題。

圖2：交叉調(diào)制現(xiàn)象舉例

發(fā)射信號(hào)調(diào)制精度EVM

EVM是衡量發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)調(diào)制精度的一個(gè)重要指標(biāo)，需注意的是該指標(biāo)不是簡(jiǎn)單定義射頻信號(hào)的調(diào)制精度，而是先將射頻信號(hào)映射到I/Q平面，然后經(jīng)過匹配濾波器， 再抽樣得到離散的I/Q數(shù)值，EVM衡量的是該離散I/Q數(shù)值的精度。它與射頻信號(hào)的精度是不一樣的，原因是在求離散I/Q數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)采用了成型濾波器，在頻域上看該濾波器可以將帶外噪聲抑制掉一些，從而提高了調(diào)制精度指標(biāo)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)中還指出在測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡可能地調(diào)整解調(diào)過程中本振的頻率和相位，以及采取所有可能的措施使最終誤差最小，這也就是說(shuō)射頻調(diào)制信號(hào)中有些失真與干擾將不計(jì)入EVM值，這些包括射頻通道的線性失真、載波泄漏、I/Q正交調(diào)制器的移相偏差、正交分量與同相分量幅度的不平衡，這樣算下來(lái)，影響EVM指標(biāo)的還有兩大因素：相位噪聲與非線性產(chǎn)物。方程1是一個(gè)簡(jiǎn)化公式用來(lái)估算EVM值。

EQ1

其中，ACLR是指相鄰信道的ACLR測(cè)量值，Qrms是累積相位誤差，9.5是針對(duì)TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)修正值。

為驗(yàn)證方程1是否正確，我們先利用ESG信號(hào)源產(chǎn)生簡(jiǎn)單的QPSK I/Q信號(hào)，這里碼片速率為 1.28M，成型濾波器為0.22滾降系數(shù)的根升余弦濾波器，將該信號(hào)加到圖1所示參考設(shè)計(jì)的輸入端，調(diào)整參考設(shè)計(jì)配置使其輸出功率為21dBm，這時(shí)利用FSIQ測(cè)得EVM約等于3.5%，鄰信道ACLR為-38.5dBc；接下來(lái)我們移開ESG信號(hào)源，將參考設(shè)計(jì)的TxI+短接到地，從而在天線端口得到一個(gè)正弦波信號(hào)，用FSIQ測(cè)量該正弦波的相位噪聲，最后計(jì)算出1kHz-1MHz范圍內(nèi)累積相位噪聲約為1.5度。我們將上面測(cè)試結(jié)果代入方程1式得:

EQ2

比較EVM測(cè)量值和計(jì)算值，其誤差不到一個(gè)百分點(diǎn)，可見方程1作為EVM的估算公式還是很有效的。3GPP標(biāo)準(zhǔn)要求EVM指標(biāo)不大于17.5%，由上面測(cè)試結(jié)果可以看到圖1所示參考設(shè)計(jì)有很大余量。

接收機(jī)靈敏度與NF

接收機(jī)靈敏度是一個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)，不僅接收機(jī)射頻通道的性能影響該指標(biāo)，基帶單元的解調(diào)算法也會(huì)影響該指標(biāo)，用此指標(biāo)來(lái)直接衡量射頻接收機(jī)的性能好壞顯然不合適。接收機(jī)射頻通道對(duì)小信號(hào)的惡化主要是加性白噪聲的影響，它反應(yīng)接收機(jī)的噪聲系數(shù)指標(biāo)。相位噪聲也會(huì)影響信號(hào)接收質(zhì)量，但在小信號(hào)時(shí)相對(duì)加性白噪聲的影響則微乎其微，故在此不考慮相位噪聲的影響。因此當(dāng)接收機(jī)基帶單元確定的情況下，接收機(jī)靈敏度信號(hào)電平則與整機(jī)噪聲系數(shù)有著直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。3GPP TR 25.945標(biāo)準(zhǔn)指出只要接收機(jī)噪聲系數(shù)不大于9dB，整機(jī)就應(yīng)該滿足靈敏度指標(biāo)(靈敏度電平為-108dBm)要求，這里也暗示了如還有問題，則應(yīng)該是基帶解調(diào)的問題，與射頻接收機(jī)無(wú)關(guān)。圖1所示的參考設(shè)計(jì)整機(jī)噪聲系數(shù)約為5.7dB，相對(duì)9dB的最低要求有3.3dB余量，因此采用該射頻套片的手機(jī)其整機(jī)靈敏度應(yīng)能達(dá)到-111dBm。

接收機(jī)非線性指標(biāo)要求

3GPP TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)眾多指標(biāo)中有很多與接收機(jī)非線性有關(guān)，這些指標(biāo)歸納起來(lái)有兩類：一類是為防止小信號(hào)時(shí)強(qiáng)干擾造成性能下降而設(shè)定的指標(biāo)，如阻塞、雜散響應(yīng)、雙音互調(diào)；另一類指信號(hào)自身幅度太強(qiáng)，這里僅有一個(gè)指標(biāo)就是最大輸入信號(hào)電平指標(biāo)。為靈活應(yīng)對(duì)這些指標(biāo)要求，同時(shí)考慮手機(jī)的節(jié)電要求，MAXIM為接收芯片MAX2392設(shè)計(jì)了多種工作模式。MAX2392的低噪聲放大器有高低兩種增益模式，混頻器也有兩種增益模式，同時(shí)混頻器的線性度也有兩檔，這樣組合起來(lái)MAX2392有四種區(qū)別比較明顯的模式：HGML、HGHL、MG、LG。HGML指高增益中等線性度模式，這時(shí)低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于高增益低線性度狀態(tài)。HGHL指高增益高線性度模式，這時(shí)低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于高增益高線性度狀態(tài)。MG指中等增益模式，這時(shí)低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于低增益狀態(tài)，與混頻器的線性度無(wú)關(guān)。LG指低增益模式，這時(shí)低噪聲放大器與混頻器都處于低增益狀態(tài)，與混頻器的線性度無(wú)關(guān)。下面分別就一些具體的非線性指標(biāo)要求做詳細(xì)討論。

a)接收機(jī)最大輸入信號(hào)電平指標(biāo)。該指標(biāo)涉及到接收機(jī)的兩個(gè)問題：接收機(jī)通道增益控制范圍，因?yàn)樵撝笜?biāo)規(guī)定了天線端口最大輸入信號(hào)電平，而靈敏指標(biāo)規(guī)定了最小輸入信號(hào)電平，我們總希望基帶接口處電平恒定，這就要求通道增益控制范圍至少大于這兩個(gè)指標(biāo)規(guī)定的電平之差；該指標(biāo)牽扯到的另一個(gè)射頻通道技術(shù)指標(biāo)就是要求通道在如此大的信號(hào)電平下不能發(fā)生明顯的限幅。針對(duì)該指標(biāo)要求，MAXIM建議將MAX2392置為低增益模式。圖1所示參考設(shè)計(jì)在低增益模式下測(cè)到輸入1dB壓縮點(diǎn)為-11.6dBm，而最大輸入信號(hào)電平為-25dBm，顯然可以滿足要求。

b)雜散響應(yīng)與阻塞指標(biāo)。雜散響應(yīng)主要是針對(duì)超外差接收機(jī)提的指標(biāo)，雜散響應(yīng)點(diǎn)也稱為寄生頻道，它是射頻本振與中頻的組合頻率。與一般阻塞相比，當(dāng)干擾落在這些寄生頻道上時(shí)，它會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成更大的危害。MAX2392是零中頻接收機(jī)，所以該問題不明顯。阻塞指標(biāo)又分為頻段內(nèi)阻塞指標(biāo)與頻段外阻塞指標(biāo)，頻段外阻塞指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的影響部分地可由前端射頻濾波器解決。阻塞信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響有四個(gè)方面：倒易混頻影響、交叉調(diào)制影響、阻塞信號(hào)二次項(xiàng)成份的影響、阻塞信號(hào)直接透過信道濾波器加到基帶單元輸入端口造成的影響。倒易混頻影響是指干擾信號(hào)與本振邊帶噪聲混頻產(chǎn)物對(duì)系統(tǒng)的影響，它與本振相位噪聲指標(biāo)有關(guān)，與通道非線性指標(biāo)無(wú)關(guān)，后文再作詳細(xì)討論。阻塞信號(hào)直接透過信道濾波器造成的影響與信道濾波器的帶外抑制特性有關(guān)，與通道非線性指標(biāo)無(wú)關(guān)，我們也把這個(gè)影響放到后面去討論。